CN102596384A - 颗粒泵送方法和装置 - Google Patents

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Abstract

提供了用于将粒状材料(例如生物质进料)输送到和输送出加压反应器的方法和装置。改进的闸门设备具有L型闸门腔室，所述L型闸门腔室具有与水平装载腔室连通的上部立式部件和与立式反应器进口或出口连通的下部部件。活塞阀通过穿过闸门腔室的立式部件和穿过立式反应器进口或出口的轴向位移来密封闸门进口和出口。相对于用于反应器卸载的其他方法，这些设备消耗较少的蒸汽并且显著减少卸载的预处理的生物质的糠醛含量。使用该设备的任选的混合塞/闸门生物质供给方法允许在介于大气压力和反应器压力之间的闸门压力下进行生物质装载，从而减少“泵送循环”时间并且提高生物质处理能力。

Description

颗粒泵送方法和装置
发明领域
本发明大体涉及用于将粒状材料输送到和输送出加压反应器的装置和方法，且更具体地涉及用于将生物质进料供给到和供给出加压水热反应器的装置和方法。
背景
来自木质纤维素生物质的生物乙醇和其他有用产品的商业生产需要高水平的进料通过量，为大约每小时10至50公吨干物质。在依赖于酶促水解之前的进料水热预处理的生物质转化系统中，加工规模会受到粒状材料可被供给到加压预处理反应器中的速率的限制。
用于将生物质“供给”到加压反应器的系统通常属于两种主要类别即塞式送料器(plug feeder)和闸门式送料器(sluice feeder)中的一种。塞式送料器在制浆造纸工业中是公知的。这些送料器使用加料装置，例如螺旋件、活塞和组合的活塞螺旋件(piston-screw)，以将粒状材料压缩成充分有效的密度，以形成不透气的压力密封或“塞”。然后该塞连续地形成并且抵抗高压装载到反应器中。已发表塞式送料器抵抗4至10巴的压力被有效地装料。已发表了多种不同的塞式送料器方案。一些螺旋塞式送料器依赖于非常长的供给螺旋件，这使得在稍微较低的有效生物质塞密度下装料。依赖于较高的有效密度的系统通常利用在加压反应器侧的破碎机设备来粉碎高密度塞。见例如US 3,841,465、US 4,186,658、US 4,274,786、US 5,996,770、WO2003/050450、WO2004/105927、WO2009/005441。
闸门式送料器依赖于气压阀的系统，气压阀中的至少一个始终保持关闭。通过打开的进口阀将粒状材料装载到闸门腔室(sluice chamber)内。然后关闭进口阀并且将通过打开的出口阀将材料卸载到高压反应器中。也已发表了多种闸门式送料器系统。见例如US 5,095,825、SE 456,645、SE500,516、WO1993/010893、WO1993/000282、WO2003/013714。
相对于塞式送料器，单一闸门式送料器通常具有较低的能力，但提供较高水平的操作安全性。生物质常常是多相材料。因此，更高度压缩的塞可含有通过其可发生加压蒸汽潜在地爆发性释放的通道。在始终提供对反应器压力的机械阀密封中，闸门式送料器通常极大地降低爆发性释放的风险。
高密度塞式送料器一般被认为是比闸门式送料器有优势的，因为高密度塞式送料器可易于制定成非常大的容量。然而，塞式送料器还具有一些显著的缺点。塞式送料器未显示出在＞10巴的压力下能有效地操作。它们通常在非常高水平的进料压缩程度下操作，在某种程度上最小化了职业危险。生物质通常被加压到比抵抗反应器压力密封名义上所需要的水平高得多的水平。因此，塞式送料器在塞和供给装置之间产生极大的摩擦力。这降低能效并且还引入高水平的机械磨蚀，尤其在具有高的砂或二氧化硅含量的进料(例如麦秆、稻秆和玉米秸秆)下。重新清理塞式送料器中的“塞螺旋件”或其他卸载设备成为在短至1-3个月的时间间隔内可能需要进行的例行维护。这导致生产效率低以及高的维护成本。塞式送料器通常还需要使进料经受颗粒尺寸减小和大量的洗涤，这引入另外的工艺步骤以及增加的能量需求和运行成本。
塞式送料器的这些缺点已通过使用在WO2003/013714中描述的单一闸门腔室送料器系统在每小时1公吨干物质的试验生产规模中成功避免，WO2003/013714在此以其整体通过引用并入。使用这种系统，生物质可抵抗＞15巴的压力而被有效地装载。进料被加工而无需大范围的颗粒尺寸减小或洗涤，首先分配到预定部分中，然后借助于活塞螺旋件或类似的设备强迫装载到水平的闸门腔室，活塞螺旋件或类似的设备的轴线实际上与闸门腔室的轴线对齐。
我们已发现了多种工具，借此这种闸门系统可被制定成更大的容量，具有增大的操作安全性和效率。
此外，我们发现闸门系统提供用于从加压反应器移除预处理的生物质的改进的工具。塞式送料器自身不提供用于移除预处理的生物质的工具。早先，通常通过使用诸如在WO 2009/147512中描述的“蒸汽爆发”系统或“水力旋流器”系统来移除预处理的生物质，WO 2009/147512在此以其整体通过引用并入。由于与移除预处理的生物质相关的相对保守的蒸汽损失，水力旋流器系统在先前认为是有利的。通过使用用于移除预处理的生物质的颗粒泵送出口(particle pump outlet)，可获得蒸汽爆发和水力旋流器系统的性能的显著改进。具体地，对于水力旋流器系统，从反应器释放的预处理的生物质中的发酵抑制剂糠醛的浓度可减少了多于50％。对于蒸汽爆发系统，释放的预处理的生物质中的糠醛含量和另外地与移除预处理的生物质相关的蒸汽损失可减少。
在本文详细描述这些改进和其他改进。
概述
附图简述
图1示出优选实施方式的示意图。
图2示出由液压缸致动的优选实施方式的侧角度视图。
图3示出图2所示出的优选实施方式的截面视图。
图4示出通过电驱动致动的优选实施方式的侧角度视图。
图5示出图4所示出的实施方式的截面视图。
图6示出用于从加压反应器中移除预处理的生物质的优选实施方式的改变。
图7A、7B和7C示出图2所示出的实施方式的混合塞/闸门式操作模式的示意图。
优选实施方式的详述
WO2003/013714的单一闸门腔室送料器系统提供水平闸门腔室，在水平闸门腔室中，活塞螺旋件卸载设备实际上与闸门腔室的轴线一致。使用这种系统，闸阀通常优选作为用于闸门进口和出口的气压阀。
已发现通过将装载设备的轴线与闸门腔室的轴线调整成一角度，优选垂直的，在闸门进口处可使用活塞阀。活塞阀是有利的，因为相比闸阀，活塞阀不易于堵塞和机械磨损且可更易于被制定成大的尺寸。
通过使用立式闸门腔室(vertical sluice chamber)，可将装载设备的轴线调整成与闸门腔室的轴线成一角度，通过立式闸门腔室，生物质借助于重力降落。在立式闸门腔室内，“桥接”的风险增大，尤其在使用尚未经受广泛颗粒尺寸减小的非流动或相当高的干物质进料时。因此，在先前立式闸门腔室用于闸门供给生物质进料被认为是不期望的。我们已发现通过使用L型闸门腔室可有效地避免“桥接”。L型闸门腔室具有上部立式部件且还具有下部卸载段，适于强迫卸载的卸载设备可轴向地位移通过下部卸载段。通过将卸载设备的轴线调整成与反应器进口的轴线成一角度，优选垂直的，还可以使用作为气压阀(pressure lock)的活塞阀，用于闸门出口。
引入的具有配备有用于强迫卸载的另外的设备的水平卸载段的闸门腔室提供惊人的对突然压力变化的抵抗。这提高操作安全性并且确保驱散来自闸门腔室的突然压力释放的安全烟道(chimney)仅需要被构造为容忍较小的压力变化。
使用调整为分别与闸门腔室和反应器进口成一角度优选垂直的装载设备和卸载设备允许进行生物质供给的混合塞/闸门方法。在一些实施方式中，生物质通过装载设备在装载腔室内的压缩和生物质通过卸载设备在闸门腔室的卸载段内的压缩产生相当低密度的塞。这些塞可有效地密封介于大气压力和反应器压力之间的压力。塞部分密封允许进行混合塞/闸门操作模式，在混合塞/闸门操作模式中，生物质可被装载，而不必完全使闸门腔室内的压力与大气压力平衡，且在混合塞/闸门操作模式中，生物质可被卸载，而不必完全使闸门腔室内的压力与反应器压力平衡。这种混合操作模式减少闸门设备的“泵送循环”时间，且因此提高其生产能力。可通过在降压期间将冷却水雾引入到闸门腔室中来进一步减少循环时间。
惊人地，使用闸门腔室供给设备或“颗粒泵送”不是用于供给而是用于从加压水热反应器移除预处理的生物质，还可获得显著的操作优点。最显著地，在卸载之后保留在预处理的生物质中的所生产的作为水热预处理的副产物的发酵抑制剂糠醛的浓度显著减小。在相同的条件下预处理相同量的生物质但与水力旋流器系统相比使用闸门系统进行除去时，在不溶性纤维组分中获得的糠醛含量通常减少了至少50％。如本领域公知的，所生产的作为水热预处理的副产物的糠醛浓度对有效二次发生发酵工艺产生显著干扰，使得通常需要解毒工艺步骤。
不期望受理论束缚，相信颗粒泵送出口的这种惊人的优点是由于加压水热反应器内的糠醛/水相平衡的细微区别。在通常在水热预处理中获得的相对稀的糠醛浓度下，35％干物质的mol％＜0.5，且在水热预处理反应器的高温和高压状态中，通常在约160至230℃和在约10至20巴压力之间，相对于液相，预期糠醛主要存在于气相，以至少约4∶1的因子。(见例如，R.Curtis和H.Hatt，″Equilibria in furfural-water systems under increasedpressure and the influence of added salts upon the mutual solubilities offurfural and water(在增加的压力下糠醛-水体系的平衡和添加的盐对糠醛与水的互溶度的影响)″，Australian Journal of Scientific Research Series A：Physical Sciences(1948)1：213.)。在移除周期期间，使用颗粒泵送出口，出口闸门腔室与低压的平衡与在受控的条件下从预处理的生物质中排放气相相关，在移除之前，有效地汽提大量的糠醛含量。
Skaerbaek，Denmark中本实验室的各自具有100至1000kg/小时生物质的生产能力的两个试验预处理反应器可选择地配备有如在WO2009/147512中描述的水力旋流器生物质出口(1000kg/hr)，或配备有与在WO2003/013714中描述的单一腔室闸门送料器系统相似的简单的单一腔室水平的闸门腔室出口(100kg/hr)。两种系统均用于在相同的条件下预处理麦秆，至约3.88的硬度(severity)，在14巴压力、190℃下。使用两种系统卸载的预处理的麦秆被压缩成纤维和液体组分。随后使用在相同的条件下操作的相同的压带机洗涤装置来洗涤加压的纤维组分。
在预处理系统在稳定状态下操作之后，在3个不同的日期对来自使用颗粒泵送出口卸载的预处理的麦秆的被洗涤的纤维组分取样。在预处理系统在稳定状态下操作之后，在6个不同的日期对来自使用水力旋流器出口卸载的预处理的麦秆的被洗涤的纤维组分取样。与水力旋流器卸载的生物质，1.65+/-0.24g/kg，t，p＜.005相比，颗粒泵送卸载的生物质具有显著较低的糠醛水平，0.79+/-0.04g/kg。虽然未对来自水力旋流器卸载的生物质的初始加压的纤维组分中的糠醛含量进行直接测量，这些值可通过应用使用这种系统获得的平均的加压/洗涤的糠醛比来从直接的洗涤的纤维值中轻易地推测。使用颗粒泵送出口获得的加压的纤维组分中的糠醛含量显著低于使用水力旋流器出口获得的计算的加压的纤维组分的糠醛含量，1.59+/-0.14g/kg，相比4.61+/-0.58g/kg，t，p＜.003。
颗粒泵送出口提供从预处理的生物质中获得的不溶性纤维组分的糠醛含量的显著减少，至少50％，显然是由于在卸载(降压)周期期间受控的蒸汽排放的简单效应。本领域技术人员将易于理解，颗粒泵送出口可被优化，以实现糠醛含量的甚至更大的减少。在约1分钟的周期下进行从14巴降压至2巴时和在温度从190℃降至约100℃时，在此报道的实验中使用的简单的单一腔室的水平的闸门腔室系统可实现糠醛含量的至少50％减少。生物质在约2巴下在约100℃下喷射。通过在2巴下简单地将生物质喷射到出口腔室中可获得糠醛含量的更深度的减少，其中压力进一步降低到次大气压水平，优选在50和200托之间，且优选在高于140℃的温度下，如在US4912237中所描述，US4912237在此以其整体通过引用并入。通过常规实验，本领域技术人员可易于优化使用颗粒泵送出口的生物质喷射，至实现最佳的糠醛减少的状态。
在任何情况下，移除预处理的生物质的颗粒泵送方法相对于蒸汽爆发方法是有利的，因为蒸汽消耗减少。使用申请人的配备有颗粒泵送出口的水热反应器的“蒸煮用汽”消耗平均为每1000kg预处理的生物质进料约160kg/蒸汽。相比之下，在相似的预处理程度下操作但配备有蒸汽爆发出口的相似的反应器通常报道出较高的“蒸煮用汽”消耗，为每1000kg预处理的生物质进料约250-350kg/蒸汽。
相对于蒸汽爆发，颗粒泵送出口在减少从反应器中移除的预处理的生物质中的糠醛含量方面还是有利的。再次，不期望受理论束缚，认为相对于通过蒸汽爆发出口移除的材料，通过颗粒泵送出口从反应器中移除的预处理的生物质具有更低的糠醛含量，这同样是由于糠醛/水相平衡的细微区别。在蒸汽爆发中，预处理的生物质从高压的反应器条件突然释放，在通常经历的低浓度的糠醛下这有利于水的液相且这有利于糠醛的汽相。在大气压力下，热生物质中的水的汽相是有利的，导致热生物质内的水的能分解纤维素链的爆发性蒸发，有助于有益的整体预处理效果。然而，当被蒸汽爆发的生物质冷却到低于100℃时，或至少低于97.9℃的温度时，预期糠醛将冷凝到生物质中。见例如G.H.Mains，Chem.Met.Eng.(1922)26：779。因此，与在此报道的通过颗粒泵送出口卸载的预处理的生物质中的糠醛含量相比，在相似程度下处理和在相似压力下卸载的被蒸汽爆发的生物质中被报道为具有高得多的糠醛水平。见例如L.Hongquiang和C.Hongzhang，″Detoxification of steam-exploded corn straw produced by anindustrial-scale reactor(对通过工业规模反应器生产的蒸汽爆发的玉米秸秆的解毒)，″Process Biochemistry(2008)43：1447。
在一些实施方式中，本发明提供了一种用于将粒状物质输送到或输送出加压反应器的装置，包括：
(a)装载腔室，
(b)装载设备，其位于装载腔室内，
(c)L型闸门腔室，其具有与装载腔室连通的上部立式部件且具有与立式反应器进口或出口连通的下部部件，
(d)闸门进口活塞阀，其可轴向地位移穿过闸门腔室的立式部件，且其适于密封从装载腔室进入闸门腔室的立式部件的开口，
(e)卸载设备，其在闸门腔室的下部部件内可轴向地位移，以及
(f)闸门出口活塞阀，其可轴向地位移穿过立式反应器进口或出口且其适合于密封从闸门腔室的下部部件进入反应器进口或出口的开口。
装载腔室具有至少一个开口且调整成与L型闸门腔室的立式部件连通(即，具有通向立式部件的开口)，生物质进料可通过该至少一个开口引入。在一些实施方式中，装载腔室提供密闭度，其中在将生物质进料强迫装载到闸门腔室中之前，可压缩、分配或另外调节生物质进料。在优选实施方式中，装载腔室是近似水平的，并且与闸门腔室的立式部件的连通是近似垂直的。在其他实施方式中，装载腔室可向上地或向下地倾斜，调整成与闸门腔室的立式部件成约70-120度之间的角。在一些实施方式中，装载腔室装备有可轴向地位移的装载设备，可轴向地位移的装载设备在闸门进口阀关闭时压缩生物质进料，并且将压缩的生物质强迫装载到闸门腔室中。在其他实施方式中，装载腔室可简单地是容器，装载设备在容器内操作，以将生物质强迫装载到闸门腔室中。
合适的装载设备可包括螺旋输送机、活塞螺旋件、或活塞。在一些实施方式中，有利地是在装载期间压缩生物质进料。因此，在一些实施方式中，装载设备能够将生物质进料压缩到约200-400kg/m3的范围内。在优选实施方式中，装载设备是活塞螺旋件。另外，在优选实施方式中，设备在顺时针或逆时针方向上可旋转。对使活塞螺旋件旋转的马达的机械阻力可易于被校准，以提供对生物质压缩的准确测量。在一些实施方式中，装载腔室的生物质装载通常通过以下进行：首先倚着关闭的闸门进口阀压缩生物质，然后通过装载设备的轴向位移将被压缩的生物质装载到闸门腔室中。在其他实施方式中，在装载期间生物质的压缩不是期望的时，装载设备通过打开的闸门进口阀将生物质直接强迫装载到闸门腔室中，实现生物质的略压缩。在一些实施方式中，尤其在生物质的压缩是期望的时，装载设备在装载腔室内可轴向地位移。在其他实施方式中，尤其在生物质的压缩不是期望的时，装载设备可固定在相对小的装载腔室内，相对小的装载腔室有效地提供仅仅容器，生物质被收集在该容器内，并且通过装载设备被强迫装载。
闸门腔室是L型的。如本文使用的，术语“L型”指具有上部立式部件和下部部件的设备。如本文使用的术语“立式的”指通过重力的方向调整，+/-10％。在优选实施方式中，下部部件是近似水平的且上部部件和下部部件之间的连通是近似垂直的。在其他实施方式中，下部部件可以向上地或向下地倾斜，与闸门腔室的立式部件调整成约70-120度之间的角。在优选实施方式中，闸门腔室的立式部件具有比装载腔室的内径大的内径，使得进一步降低生物质桥接的风险。虽然，使用术语“L型”，本领域技术人员将易于理解，立式部件或下部部件可比另一个长或两者可具有相等的长度。
在一些实施方式中，闸门腔室可装备有用于注射冷却水雾的工具。通常，对反应器压力的增压比对装载压力的降压相当快。因此，提高闸门腔室降压的速率是有利的，因为这继而减少闸门腔室装载、加压、卸载和降压的循环时间。认为冷却水雾通过促进加压蒸汽的冷凝来提高降压速率。
闸门腔室的下部部件或卸载段调整成与立式反应器进口或出口连通。在优选实施方式中，卸载段是近似水平的并且与立式反应器进口或出口的连通是近似垂直的。卸载段装备有可轴向地位移的卸载设备，任选地，卸载设备在闸门出口阀关闭时压缩生物质进料并且将生物质强迫卸载到立式反应器进口中或离开反应器出口。可选择地，卸载设备可以直接通过打开的闸门出口阀强迫卸载生物质，而在卸载期间不实现对生物质的压缩。
与装载设备相似，合适的卸载设备可包括螺旋输送机、活塞螺旋件、或活塞，且在优选实施方式中，卸载设备在顺时针或逆时针方向上可旋转。
装载腔室和闸门腔室的上部立式部件之间的角连接以及闸门腔室的下部部件和立式反应器进口或出口之间的角连接允许使用活塞阀作为气压阀。与其他阀系统例如闸阀相比，活塞阀相对不易于阻塞和机械磨损且更易于制定成大的尺寸，活塞阀是优选的，其中装载设备的轴线与闸门腔室的轴线一致。活塞阀可轴向地位移穿过闸门腔室的立式部件和穿过立式反应器进口或出口，并且适合于密封闸门进口和出口。
在优选实施方式中，闸门进口和闸门出口活塞阀均包括旋转盘。在关闭期间，盘形阀的旋转清除闸门进口和出口阀座的生物质，闸门进口和出口阀座可另外累积。在优选实施方式中，闸门进口和出口活塞阀位移，基本上分别与装载设备和卸载设备的位移一致。在一些实施方式中，闸门进口和/或闸门出口阀可配备有用于粉碎被压缩的生物质的叶片或其他工具。粉碎工具有助于避免压缩的生物质“块”进入反应器，生物质“块”会干扰生物质的均匀加热并且导致次优的预处理。
在一些实施方式中，装载设备、卸载设备和活塞阀可被液压缸致动。这些设备是可靠的且易于制定成大的尺寸。然而，这些设备需要获准的阀和控制程序以及对机械部件的常规检查。因此，在一些实施方式中，可使用电驱动的致动器，电驱动的致动器通常具有改进的能效以及更简单且更成本最佳的设计。电驱动的致动器还是自锁定的，因为这些电驱动的致动器仅在马达被驱动的条件下才进行致动，导致相对于液压缸改进的安全性。
在一些实施方式中，立式反应器进口可包括用于促进均匀加热反应器内装载的生物质的粉碎工具或其他工具。
图1提供能够任选地以生物质供给的混合塞/闸门操作模式的一个优选实施方式的示意图。设备具有装备有装载设备即活塞螺旋件(2)的水平装载腔室(1)，该装载设备在装载腔室(1)内可旋转且可轴向地位移。L型闸门腔室(3)被设置，其具有与装载腔室(1)垂直连通的上部立式部件(3a)，且还具有装备有卸载设备即活塞螺旋件(4)的下部水平部件或卸载段(3b)，该卸载设备在卸载段(3b)内可旋转且可轴向地位移。装载腔室可通过闸门进口活塞阀(5a)打开或密封，闸门进口活塞阀(5a)可轴向地穿过闸门腔室的立式部件位移，适合于密封从装载腔室至闸门腔室的开口，且与装载活塞螺旋件的位移一致地打开和关闭。闸门腔室的卸载段(3b)与立式反应器进口(6)垂直连通。卸载段可通过闸门出口活塞阀(5b)打开或密封，闸门出口活塞阀(5b)可轴向地位移穿过立式反应器进口(6)，适合于密封从闸门腔室的下部水平部件至反应器进口的开口，且与卸载活塞螺旋件的位移一致地打开和关闭。反应器装备有供给螺旋件(7)，供给螺旋件(7)运载所装载的进料，通过反应器，至预处理的材料从其出来的出口。生物质进料预分配成预定的数量并且经由斜槽或料斗(9)通过至少一个开口(8)供给到装载腔室。示出的优选的颗粒泵送实施方式还装备有检测等待强迫装载到装载腔室(1)的累积的进料材料的水平的生物质水平传感器(10a)，和检测等待通过卸载段(3b)强迫卸载的累积的进料材料的水平的水平传感器(10b)。设备还装备有在压力调节期间将来自闸门腔室的加压蒸汽释放至工艺溶液再循环或引入新鲜蒸汽的阀(11)，和在压力调节期间将加压的反应器蒸汽引入到闸门腔室的阀(12)。设备还装备有安全烟道(13)和将冷却水雾注射到闸门腔室以加速对装载压力的降压的冷却水雾注射器(14)。
图2提供了设备的优选实施方式的侧角度视图。在该视图中，在设备的上部部分可清楚看见装载腔室(1)、通过其供给生物质的装载腔室的开口(8)、装载设备(2)和进口活塞阀(5a)。在设备的下部部分可清楚看见卸载设备(4)、出口活塞阀(5b)和反应器进口(6)。如所示出的设备的上部部分和下部部分布置在任意的方向。上部部分和下部部分可以可选择地布置成平行的或布置成符合空间限制或其他要求的任何角度。
图3提供了图2示出的实施方式的截面视图。该实施方式适合于在被加压到15巴的反应器内维持每小时至少4公吨干物质的处理量。装载腔室(1)是约2米长度和具有约0.7米内径的圆柱形，且配备有引导装载活塞螺旋件的位移的凹槽。装载活塞螺旋件(2)包括约0.7米长度的螺旋部件，且适合于在装载腔室内轴向地位移。L型闸门腔室的卸载段(3b)是具有约0.7米内径的相似的圆柱形。L型闸门腔室的立式部件(3a)是相似的圆柱形，但具有约1米的更大的内径。还示出生物质开口(8)、闸门进口活塞阀(5a)、卸载活塞螺旋件(4)、反应器进口(6)和闸门出口活塞阀(5b)。
图4提供了通常不适于生物质供给的混合塞/闸门模式的一个可选择的实施方式的侧角度视图。在该实施方式中，装载腔室(1)实质上仅是具有生物质进料斜槽的开口(8)的容器，装载设备(2)在该容器内操作。装载设备(2)、闸门进口活塞阀(5A)、卸载活塞螺旋件(4)和闸门出口活塞阀(5B)被电驱动的致动器驱动。
图5提供了图4中示出的实施方式的截面视图。该实施方式适合于在被加压到15巴的反应器内维持每小时至少10公吨干物质的生产量。装载腔室(1)仅仅为装载设备(2)提供密闭度。装载设备(2)包括两个固定的约0.45m直径的螺旋输送机，螺旋输送机在装载期间使生物质略压缩。闸门腔室的立式部件(3A)为约1.8m长度，比闸门腔室的约2.8m长度的卸载段(3B)短。闸门腔室的两个部件均具有约1.0m的直径。在生物质被供给到加压反应器的优选操作模式中，设备通过打开的闸门进口阀装载生物质，而无明显的压缩。闸门进口阀被关闭，且闸门腔室压力等于约反应器压力。然后打开闸门出口阀并且通过螺旋件作用和卸载设备(2)的轴向位移强迫卸载生物质。
在一些实施方式中，本发明提供了一种用于从加压水热反应器中移除预处理的生物质的装置，包括：
-闸门腔室装载设备；
-闸门腔室；
-闸门腔室进口阀，其适合于在关闭时密封反应器压力开口(openingto reactor pressure)；
-闸门腔室出口阀，其适合于在关闭时密封大气压力或出口压力开口(opening to atmospheric or outlet pressure)，且适于预处理的生物质的非爆发性释放；
-闸门腔室卸载设备；以及
-生物质出口，其适于预处理的生物质的非爆发性释放。
如本文使用的闸门腔室是腔室：该腔室可选择地可通向两个压力区中的一个区，同时维持与其他压力区压力密封分离。非爆发性释放是指以使得在释放之前生物质相对于反应器压力被实质上降压的方式释放。如本文使用的大气压力包括高达高于大气压力约0.3巴的水平。出口压力指小于反应器压力的压力，但在一定程度上高于或低于大气压力，在出口压力下，将预处理的生物质从加压反应器移除。闸门腔室出口阀通过具有与闸门腔室的横截面积近似相同或大于闸门腔室的横截面积的横截面积而可适于预处理的生物质的非爆发性释放。生物质出口指通道或腔室或通道、输送机和腔室的组合，通过生物质出口，将预处理的生物质从加压反应器中移除。生物质出口通过具有带有与阀自身的横截面积近似相同或大于阀自身的横截面积的孔的闸门腔室出口阀的开口而可适于非爆发性释放。在一些实施方式中，移除设备可配备有适合于提供可变的温度和压力条件的出口腔室。通过控制出口腔室中的压力条件，从加压反应器中移除的预处理的生物质在被进一步加工之前，可经受意图进一步降低预处理的生物质中发酵抑制剂或其他组分的含量的物理化学操作。例如，在一些实施方式中，移除设备可配备有在高于约140℃的温度下提供优选在约50至200托的范围内的次大气压力的出口腔室，以在进一步加工之前从预处理的生物质中汽提糠醛。
在优选实施方式中，设备适合于在闸门腔室的降压期间以使得闸门腔室内的预处理的生物质在从反应器移除之前经受具有大体上较低的糠醛含量的环境的方式来排放蒸汽。设备优选地配备有排气阀，排气阀可被调节以释放反应器蒸汽且从而在相对于蒸汽爆发相对平缓的过程中使闸门腔室降压。在优选实施方式中，设备可配备有分开的排气阀系统，排气阀系统排放蒸汽以从通常10-20巴的反应器压力降至例如3巴的中间水平的压力，和从中间水平的压力降至出口压力。将易于理解，分开的排气阀系统可包括两个、三个、四个或更多个阶段，例如从15至10巴，从10至8巴，从8至5巴，从5至3巴，以及从3至1巴。在分开的系统的每个中排放的蒸汽然后可再循环到不同的生产过程，例如干燥系统、蒸发系统、生物质预热过程和其他过程。在一个优选实施方式中，设备具有两个排气阀系统，从15巴排放至3巴的一个系统和从3巴排放至大气压的第二系统。
通过闸门腔室和闸门腔室进口和出口阀的适当的改变和定位以及通过用于预处理的生物质的非爆发性释放的反应器出口的改变，本文描述的输送装置的任意实施方式可提供合适的移除设备。合适的装载和卸载设备为如先前描述的。闸门腔室不需要限制成L型实施方式，但可以布置成任何合适的构造。闸门腔室进口和出口活塞阀不需要限制成活塞阀，但可以布置成任何合适的构造。通过闸门腔室和闸门腔室进口和出口阀的适当的改变和定位以及通过引入适于预处理的生物质的非爆发性释放的生物质出口，在WO 2003/013714中描述的闸门设备的任意实施方式可提供合适的移除设备。
图6示出用作根据本发明的移除设备的图5所示出的实施方式的改变。示出的是闸门腔室装载设备(17)、闸门腔室(18)、闸门腔室进口阀(19)、反应器压力开口(20)、闸门腔室出口阀(21)、大气压力或出口压力开口(22)、闸门腔室卸载设备(23)和适于预处理的生物质的非爆发性释放的生物质出口(24)。
在一些实施方式中，本发明提供了一种用于从加压水热反应器中移除预处理的生物质的方法，包括：
-在出口阀关闭时，将来自加压反应器的预处理的生物质通过打开的进口阀装载到闸门腔室中，所述进口阀适合于在关闭时密封反应器压力开口，所述出口阀适合于在关闭时密封大气压力或出口压力开口，
-关闭进口阀，
-将闸门腔室从反应器压力降压至大气压力或出口压力，
-打开出口阀，
-在大气压力或出口压力下卸载预处理的生物质，
-关闭出口阀，以及
-在打开进口阀用于另外的移除循环之前，重新加压闸门腔室至反应器压力。
优选的实施方式特征为以使得闸门腔室内的预处理的生物质在从反应器移除之前经受具有大体上较低的糠醛含量的环境的方式来降压闸门腔室。在优选实施方式中，卸载的生物质的不溶性纤维组分的糠醛含量小于反应器内的糠醛含量的50％。在一些实施方式中，降压通过分开的排气阀系统实现，分开的排气阀系统排放蒸汽以从通常10-20巴的反应器压力降至例如3巴的中间水平的压力，和从中间水平的压力降至出口压力。在一个优选实施方式中，降压通过使用两个排气阀系统实现，从15巴排放至3巴的一个系统，和从3巴排放至大气压的第二系统。在优选实施方式中，在降压期间排放的蒸汽被再循环，以用于另外的生产过程，例如干燥系统、蒸发系统或生物质预热。在一些实施方式中，本过程特征还在于使卸载的生物质经受生物质出口腔室内的进一步调节的压力和温度。在优选实施方式中，卸载的生物质经受约50托至200托之间或约200托至700托之间的压力和至少140℃的温度的条件。在优选实施方式中，闸门腔室内的压力在约40秒的时间段内从约15巴降压至约0.3巴。
在一些实施方式中，本发明提供了一种用于将生物质进料装载到加压反应器中的方法，包括：
(a)将生物质强迫装载到装载腔室中，在闸门进口阀关闭时，实现生物质的压缩，该装载腔室与L型闸门腔室的上部直立段连通，
(b)将闸门腔室压力调节到装载压力，装载压力为大体大气压或介于大气压力和反应器压力之间，
(c)打开闸门进口阀，
(d)在装载压力下将一定量的生物质强迫装载到闸门腔室中，
(e)关闭闸门进口阀，
(f)将闸门腔室压力调节到卸载压力，卸载压力为大体反应器压力或介于大气压力和反应器压力之间的压力，
(g)将生物质从闸门腔室的上部直立段强迫卸载到闸门腔室的下部段中，闸门腔室的下部段与立式反应器进口连通，任选地，在闸门出口阀关闭时实现生物质的压缩，
(h)打开闸门出口阀，以及
(i)在使闸门腔室平衡到卸载压力时，将生物质强迫卸载到立式反应器进口中。
在一些操作模式中，在一定量的压缩的生物质仍保留在装载腔室中时，可将一些量的压缩的生物质在每次进口阀打开周期装载到闸门腔室中。该保留的材料形成部分“塞”，当部分塞被压缩到约200-400kg/m3的范围内且具有至少约0.1m3体积时，部分塞可维持高达约3巴压差的压力密封，以持续一个进口阀打开周期。
术语“一个进口阀打开周期”指进行进口阀打开、将一部分生物质强迫装载到闸门腔室中和进口阀关闭所需要的时间。在图2示出的实施方式中，一个进口阀打开周期通常在约10至16秒之间。在一个进口阀打开周期中可装载的生物质的量在约75至150kg干物质之间。可易于设想可处理更大量的生物质的其他实施方式。
为提供部分压力密封，部分“塞”允许混合塞/闸门操作模式。这是有利的，因为在这种模式中，闸门腔室可在介于反应器压力与大气压力之间的装载压力下装载。由于闸门腔室可在不被完全降压至大气压力的压力下装载，这减少泵送循环时间。在图2示出的实施方式中，在15巴反应器压力下操作，降压从15巴至0.3巴压差所需要的时间，约30％，通常是降压从3巴至0.3巴所需要的。因此，在3巴的压差下装载显著减少循环时间。减少的泵送循环时间因此增加了设备的生产能力。
术语“泵送循环”指进行进口阀打开、生物质强迫装载、进口阀关闭、装载腔室重新装载、卸载段装载、闸门加压至卸载压力、出口阀打开、生物质强迫卸载、出口阀关闭和闸门降压至装载压力的总过程。可同时布置一些功能以优化泵送循环时间。
在混合塞/闸门操作模式中，在每次进口阀打开周期之间，将新的生物质装载到装载腔室中，位于在通过前一循环余下的部分“塞”后面。
在每次出口阀打开周期下，类似的部分“塞”可留下保持在闸门腔室的卸载段中。这种材料类似地形成部分“塞”，当部分“塞”被压缩到约200-400kg/m3的范围内并且具有至少约0.1m3的体积时，部分“塞”可维持对反应器压力和闸门卸载压力之间的高达约3巴压差的压力密封，以持续一个出口阀打开周期。在图2示出的实施方式中，在15巴反应器压力下操作，使闸门腔室加压从0.3巴至15巴压差所需要的时间，约50％，通常是加压从12巴至15巴所需要的。因此，在3巴的压差下(例如12巴)卸载显著减少循环时间并增加设备的生产能力。
本发明的设备还可有效地且可高效地用于标准闸门操作模式，在标准闸门操作模式中，在每次进口阀打开和出口阀打开周期下，装载腔室和卸载段都被完全排空。然而，在这些模式中，闸门腔室通常被调节到大体大气压力(高于大气压力约0.3巴或更低)的装载压力和大体反应器压力(约0.3巴或更小的压差)的卸载压力。
本发明的设备可用于对具有任何压力例如从5至40巴和更高的反应器进行装载。在混合塞/闸门操作模式下，合适的中间装载压力通常在高于大气压约0.3至3巴的范围内，而合适的卸载压力通常在约3至0.3巴压差的范围内。
图7A、7B和7C示出混合塞/闸门操作模式的示意图。如在图7A中示出的，在混合塞/闸门操作模式中开始泵送循环时，部分塞(16a，b)保持在装载腔室(1)中和保持在闸门腔室(3B)的卸载段中。通过装载设备(2)的螺旋作用将生物质(15)强迫装载到装载腔室中位于部分塞(16b)后面，同时闸门进口阀(5A)和闸门出口阀(5B)是关闭的。
如在图7B中示出的，在装载周期中，闸门进口阀(5A)打开，而闸门出口阀(5B)关闭，且闸门腔室(3A、3B)中的压力调节到高于大气压约3巴的装载压力。通过从前一装载周期保留在装载腔室中的部分塞，结合装载的生物质自身，来提供短期密封。生物质(15)通过装载设备(2)的活塞位移被强迫装载到闸门腔室的立式部件(3A)中，且通过卸载设备(4)的螺旋作用被进一步压缩到闸门腔室的卸载段(3B)中，位于通过前一卸载周期余下的部分塞(16a)后面。部分塞(16a)被留在装载腔室中，用于下一装载周期。
如在图7C中示出的，在卸载周期中，闸门出口阀(5B)打开，而闸门进口阀(5A)关闭，且闸门腔室(3A、3B)中的压力调节到低于反应器压力约3巴的卸载压力。通过从前一卸载周期余下的部分塞，结合卸载的生物质自身，来提供短期密封。生物质(15)通过卸载设备(4)的活塞位移被强迫卸载到反应器进口(6)中。部分塞(16a)被留在卸载段(3B)中，用于下一卸载周期。同时，生物质(15)通过装载设备(2)的螺旋作用被强迫装载到装载腔室(1)中，位于通过前一装载周期余下的部分塞(16b)后面。
优选实施方式的描述仅是代表性的且不意图限制本发明的如权利要求限定的范围。

Claims (24)

1.一种用于将粒状物质装载到加压反应器的装置，包括：
(a)装载腔室；
(b)装载设备，其位于所述装载腔室内；
(c)L型闸门腔室，其具有与所述装载腔室连通的上部立式部件且具有与立式反应器进口或出口连通的下部部件；
(d)闸门进口活塞阀，其能轴向地位移穿过所述闸门腔室的所述立式部件，且适合于密封从所述装载腔室进入所述闸门腔室的所述立式部件的开口；
(e)卸载设备，其是在所述闸门腔室的所述水平部件内轴向地可位移的；以及
(f)闸门出口活塞阀，其能轴向地位移穿过所述立式反应器进口或出口，且适于密封从所述闸门腔室的所述下部部件进入所述反应器进口或出口的开口。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述装载设备是螺旋输送机或活塞螺旋件。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述卸载设备是螺旋输送机或活塞螺旋件。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述活塞阀还包括旋转盘。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述闸门进口阀还包括生物质粉碎工具。
6.如权利要求1所述的装置，还包括安全烟道。
7.如权利要求1所述的装置，还包括生物质水平传感器，所述生物质水平传感器适合于检测所述闸门腔室中生物质的累积。
8.如权利要求1所述的装置，还包括用于将冷却水雾引入到所述闸门腔室的工具。
9.如权利要求1所述的装置，其中所述反应器进口还包括用于促进均匀加热所述反应器内装载的生物质的粉碎工具或其他工具。
10.一种用于将生物质进料装载到加压反应器中的方法，包括：
(a)将生物质强迫装载到装载腔室中，使得在闸门进口阀关闭时实现生物质的压缩，所述装载腔室与L型闸门腔室的上部直立段连通；
(b)将闸门腔室压力调节到装载压力，所述装载压力为大体大气压力或介于大气压力和反应器压力之间；
(c)打开所述闸门进口阀；
(d)在装载压力下，将一定量的生物质强迫装载到所述闸门腔室中；
(e)关闭所述闸门进口阀；
(f)将闸门腔室压力调节到卸载压力，所述卸载压力为大体反应器压力或介于大气压力和反应器压力之间的压力；
(g)将生物质从所述闸门腔室的所述上部直立段强迫卸载到所述闸门腔室的下部段，所述下部段与立式反应器进口连通，任选地，在所述闸门出口阀关闭时实现生物质的压缩；
(h)打开所述闸门出口阀；以及
(i)在使所述闸门腔室平衡到卸载压力时，将生物质强迫卸载到所述立式反应器进口中。
11.如权利要求10所述的方法，还包括将一定量的压缩的生物质留在所述装载腔室内，该一定量的压缩的生物质足以提供对装载压力的有效密封，以持续一个进口阀打开周期。
12.如权利要求10所述的方法，还包括将一定量的压缩的生物质留在所述闸门腔室的所述下部段内，该一定量的压缩的生物质足以提供对卸载压力的有效密封，以持续一个出口阀打开周期。
13.如权利要求10所述的方法，其中反应器压力高于大气压约15巴，且装载压力高于大气压约3巴。
14.如权利要求10所述的方法，其中反应器压力高于大气压约15巴，且卸载压力高于大气压约12巴。
15.如权利要求10所述的方法，其中装载压力在高于大气压约0.3至约3巴的范围内。
16.如权利要求10所述的方法，其中卸载压力在与反应器压力约0.3至约3巴压差的范围内。
17.一种用于从加压水热反应器中移除预处理的生物质的装置，包括：
(a)闸门腔室装载设备；
(b)闸门腔室；
(c)闸门腔室进口阀，其适合于在关闭时密封反应器压力开口；
(d)闸门腔室出口阀，其适合于在关闭时密封大气压力或出口压力开口并且适于预处理的生物质的非爆发性释放；
(e)闸门腔室卸载设备；以及
(f)生物质出口，其适于预处理的生物质的非爆发性释放。
18.如权利要求17所述的装置，还包括分开的排气阀系统，所述分开的排气阀系统排放蒸汽以从反应器压力降至中间水平的压力和从中间水平的压力降至出口压力。
19.如权利要求17所述的装置，还包括适合于提供可变的温度和压力条件的出口腔室。
20.如权利要求17所述的装置，还包括适合于提供至少140℃的温度和小于约700托的次大气压力的出口腔室。
21.一种用于从加压水热反应器中移除预处理的生物质的方法，包括：
(a)在出口阀关闭时，将来自加压反应器的预处理的生物质通过打开的进口阀装载到闸门腔室中，所述进口阀适合于在关闭时密封反应器压力开口，所述出口阀适合于在关闭时密封大气压力或出口压力开口；
(b)关闭所述进口阀；
(c)将所述闸门腔室从反应器压力降压至大气压力或出口压力；
(d)打开所述出口阀；
(e)在大气压力或出口压力下卸载所述预处理的生物质；
(f)关闭所述出口阀；以及
(g)在打开所述进口阀以用于另外的移除循环之前，重新加压所述闸门腔室至反应器压力。
22.如权利要求21所述的方法，其中卸载的生物质的不溶性纤维组分中的糠醛含量小于所述反应器内的糠醛含量的约50％。
23.如权利要求21所述的方法，其中降压通过分开的排气阀系统实现，所述分开的排气阀系统排放蒸汽以从反应器压力降至中间水平的压力和从中间水平的压力降至出口压力。
24.如权利要求21所述的方法，其中降压期间排放的蒸汽被再循环，以用于另外的生产过程，例如干燥系统、蒸发系统或生物质预热。
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